近日，環(huán)資院、碳中和學(xué)院余兵教授領(lǐng)銜的環(huán)境功能材料團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖期刊《Angewandte Chemie》（中科院1區(qū)Top，IF=16.8）在線(xiàn)發(fā)表題為《模擬氮酶雙組分結(jié)構(gòu)的金屬-硫-碳催化劑》（A Metal–Sulfur–Carbon Catalyst Mimicking the Two-Component Architecture of Nitrogenase）的研究論文。浙江農(nóng)林大學(xué)為該論文第一單位和通訊作者單位。該團(tuán)隊(duì)2021級(jí)碩士研究生夏浚凱為第一作者，環(huán)資院、碳中和學(xué)院余兵教授為該論文的通訊作者。
單原子催化劑（SACs）的合理設(shè)計(jì)已經(jīng)成為多相催化的新興領(lǐng)域。在眾多最先進(jìn)的SACs中，金屬-硫-碳（M-S-C）材料成為最常見(jiàn)和最有代表性的材料，與天然酶的相似性使其在催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明，M-S-C材料的結(jié)構(gòu)可調(diào)性高，在各種反應(yīng)中具有潛在優(yōu)勢(shì)。然而，模擬天然酶的活性位點(diǎn)對(duì)于復(fù)雜的催化反應(yīng)（如氨合成）仍是不夠的。自然界中的氮固定和硝酸同化過(guò)程涉及復(fù)雜的酶系統(tǒng)，這些酶系統(tǒng)具有高度的結(jié)構(gòu)和功能特異性。因此，理想的M-S-C催化劑應(yīng)借鑒天然酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更高效的催化性能。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種由兩種酶的結(jié)構(gòu)酶學(xué)啟發(fā)的雙組分M-S-C催化劑，并通過(guò)表征和機(jī)制探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索了其結(jié)構(gòu)依賴(lài)性，以通過(guò)電化學(xué)硝酸還原（NitRR）合成氨。我們觀(guān)察到，只有當(dāng)Ru SAs和NPs共存時(shí)，催化劑才能達(dá)到最高性能。這種（SAs + NPs）/S-C表現(xiàn)出顯著的NH3產(chǎn)率約為~37 mg L-1h-1和法拉第效率約為~97%，持續(xù)超過(guò)200小時(shí)，并且超過(guò)了大多數(shù)報(bào)道的電催化劑。實(shí)驗(yàn)和理論研究揭示了Ru SAs與S配位在促進(jìn)HONO中間體的形成和隨后在相鄰Ru NPs上的還原反應(yīng)中的關(guān)鍵作用。因此，S-C負(fù)載的NPs與SAs之間的協(xié)同作用與雙組分氮化酶催化作用表現(xiàn)出顯著的相似性。這項(xiàng)工作擴(kuò)展了SACs的構(gòu)型空間的限制，并有助于氨合成催化劑的合理設(shè)計(jì)。
該論文得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、浙江省教育廳一般項(xiàng)目、以及浙江農(nóng)林大學(xué)人才啟動(dòng)項(xiàng)目的資助。
(環(huán)資院、碳中和學(xué)院 夏浚凱)
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